1、伺服控制基础知识伺服控制基础知识 第 2 章内容提要内容提要n第一节第一节 电力电子器件的应用电力电子器件的应用n第二节第二节 检测元件检测元件 第 2 章第一节第一节 电力电子器件的应用电力电子器件的应用第一节第一节电力电子器件的应用电力电子器件的应用n一、一、不可控器件不可控器件n二极管是一种不可控器件，其在电路中的图形符号和伏安特性如图2-1所示。n二极管在电路中常用VD表示。n从伏安特性可见，当阳极电压大于阴极电压0.7V时二极管导通，当施加反向电压值达到击穿电压时二极管被击穿。n利用二极管具有的单方向导电性，在电路中广泛用作：整流、箝位、隔离和续流。变流电路中用于整流和续流的二极管是
2、功率二极管。DAK击穿电压OU死区电压I第一节第一节电力电子器件的应用电力电子器件的应用 V 图2-1 二极管的图形符号和伏安特性第一节第一节电力电子器件的应用电力电子器件的应用n二、二、半控型器件半控型器件 n(一一)晶闸管晶闸管(SCR)n1晶闸管的结构和符号晶闸管的结构和符号n晶闸管是在半导体二极管、三极管之后出现的一种新型的大功率半导体器件它是一种可控制的硅整流元件，亦称可控硅。n晶闸管是由四层半导体构成的。图2-2(a)所示为螺栓形晶闸管的内部结构，它主要由单晶硅薄片P1，Nl，P2，N2四层半导体材料叠成，形成三个PN结。图2-2(b)和(c)分别为其示意图和表示符号。第一节第一节
3、电力电子器件的应用电力电子器件的应用 1一钢底座 2一钔片 3一铝片 4一金锑合金片 5一金硼钯片 6一硅片 图2-2 晶闸管 第一节第一节电力电子器件的应用电力电子器件的应用n2晶闸管的工作原理晶闸管的工作原理n(1)起始时若控制极不加电压，则不论阳极加正向电压还是反向电压，晶闸管均不导通，这说明晶闸管具有正、反向阻断能力。n(2)晶闸管的阳极和控制极同时加正向电压时晶闸管才能导通，这是晶闸管导通必须同时具备的两个条件。n(3)在晶闸管导通之后，其控制极就失去控制作用。欲使晶闸管恢复阻断状态，必须把阳极正向电压降低到一定值(或断开，或反向)。所以说晶闸管是控制导通而不控制关断的半控器件。n晶
4、闸管的PN结可通过几十至几百安的电流，因此它是一种大功率的半导体器件，由于晶闸管导通时，相当于两只三极管饱和导通，因此，阳极与阴极问的管压降为1V左右，而电源电压几乎全部分配在负载电阻RL上。第一节第一节电力电子器件的应用电力电子器件的应用n3晶闸管的伏安特性晶闸管的伏安特性n晶闸管的阳极电压与阳极电流的关系，称为晶闸管的伏安特性，如图2-3所示。n晶闸管的阳极与阴极间加上正向电压时，在晶闸管控制极开路(Ig=0)情况下，开始元件中有很小的电流(称为正向漏电流)流过，晶闸管阳极与阴极间表现出很大的电阻，处于截止状态(称为正向阻断状态)，简称断态。n当阳极电压上升到某一数值时，晶闸管突然由阻断状
5、态转化为导通状态，简称通态。n阳极这时的电压称为断态不重复峰值电压(UDSM)，或称正向转折电压(UBo)。导通后，元件中流过较大的电流，其值主要由限流电阻(使用时由负载)决定。在减小阳极电源电压或增加负载电阻时，阳极电流随之减小，当阳极电流小于维持电流时，晶闸管便从导通状态转化为阻断状态。第一节第一节电力电子器件的应用电力电子器件的应用 图2-3 晶闸管的伏安特性曲线 第一节第一节电力电子器件的应用电力电子器件的应用n在晶闸管阳极与阴极间加上反向电压时，开始晶闸管处于反向阻断状态，只有很小的反向漏电流流过。n当反向电压增大到某一数值时，反向漏电流急剧增大，这时，所对应的电压称为反向不重复峰值
6、电压(URsM)，或称反向转折(击穿)电压(UBR)。n可见，晶闸管的反向伏安特性与二极管反向特性类似。第一节第一节电力电子器件的应用电力电子器件的应用n(二)双向晶闸管TRIACn双向晶闸管也称双向三极半导体开关元件(Bidirectional Triode Thyristor)，它和单向晶闸的区别是：n第一，它在触发之后是双向导通的；n第二，在门极中所加的触发信号不管是正的还是负的都可以使双向晶闸管导通。双向晶闸管可看作由两个单间晶闸管反向并联组成。双向晶闸管的内部结构原理及表示符号如图2-4所示。第一节第一节电力电子器件的应用电力电子器件的应用 图2-4 双向晶闸管内部结构 图2-5 双
7、向晶闸管的伏安特性 第一节第一节电力电子器件的应用电力电子器件的应用n双向晶闸管在触发之后。主电路的电流可双向流过；而在控制触发方面，双向晶闸管也具有双向性，故双向晶闸管在触发时有四种触发方式：n第一象限触发：MT2+，G+。这时对于参考电极MTl而言，电极MT2的电压为正；门极G的触发电流为正。n第二象限触发：MT2+，G-。这时电极MT2的电压为正；门极G触发电流为负。n第三象限触发：MT2-，G-。这时电极MT2的电压为负；门极G触发电流为负。n第四象限触发：MT2-，G+。这时电极MT2的电压为负；门极G触发电流为正。第一节第一节电力电子器件的应用电力电子器件的应用n绝大多数双向晶闸管
8、的最高触发灵敏度在第一、三象限。触发灵敏度较差的是第二象限。n最差的是第四象限。所以，一般不采用第四象限的触发方式。第一节第一节电力电子器件的应用电力电子器件的应用n双向晶闸管的特性如图2-5所示。很明显，这个特性和单向晶闸管的正向特性有点相近；只不过多了一个完全相同的反向特性而已，可见双向晶闸管具有双向导通及控制的性质。n图2-5中给出的是第一、三象限的伏安特性，在这两个象限中，双向晶闸管能够实现最可靠触发导通。而第二、四象限一般是不用于触发工作。n双向晶闸管可以用作固态继电器、过零开关等。作为交流开关它有很广泛的应用。第一节第一节电力电子器件的应用电力电子器件的应用n三、三、全控型器件全控
9、型器件n变频调速技术的发展同现代功率开关器件的研制与发展是密切相关的。由于晶闸管(SCR)和双向晶闸管（TRIAC）元件不具备自关断能力，且开关速度低，限制了常规晶闸管变频器的性能与应用范围。80年代以来，各种具备自关断能力的全控型、高速型功率集成器件不断研制成功，使得变频器技术跨人了电力电子技术的新时代。这些器件有：可关断晶闸管GTO、电力晶体管GTR、功率场控晶体管SIT、静电感应晶闸管(SITH)，MOS晶闸管MCT及MOS晶体管MGT等。这些现代功率开关的问世，使电力电子技术由顺变时代走入今天的逆变时代，各种各样的PWM变频电路在新型功率开关器件的支持下进人了机电一体化的实用领域。第一
10、节第一节电力电子器件的应用电力电子器件的应用n全控型器件即具备自关断能力的半导体器件，可分为三大类型：双极型、单极型和混合型。各种全控型器件的符号及等效电路见表2-1。表表2-2-1 全控型器件等效电路表全控型器件等效电路表第一节第一节电力电子器件的应用电力电子器件的应用第一节第一节电力电子器件的应用电力电子器件的应用n(一一)双极型器件双极型器件n双极型器件指器件内部电子和空穴两种载流于参与导电的半导体器件。n1.可关断晶闸管可关断晶闸管GTO(GateTurn-off Thyristor)n（1）可关断晶闸管简介可关断晶闸管简介n可关断晶闸管也称门极可关断晶闸管，是一种高电压大电流双极型全
11、控器件。目前最大容量为5000V、4500A和9000V、1000A，工作频率一般12kHz。主要缺点是：门极反向关断电流大，开关缓冲电路要消耗一定能量且需要快速恢复二极管、无感电阻、无感电容等器件。第一节第一节电力电子器件的应用电力电子器件的应用n其主要优势在于GTO是四层器件，具有开关频率较高，不需要辅助转流电路和开关容量等，其性能介于普通晶闸管SCR和大功率晶体管之间，在电压和电流方面均有充分发展的空间，在高电压大电流领域将取代传统晶闸管。故而大功率应用中是一种较受欢迎的器件。n GTO器件早在60年代就研制出来了，不过它的广泛应用还是近几年的事。它的最大特点是可以通过门极信号控制其阳阴
12、极之间的导通和关断。nGTO的内部结构和开关控制原理可以如图2-6所示。第一节第一节电力电子器件的应用电力电子器件的应用 图2-6 门极可关断晶闸管GTO的结构及图形符号第一节第一节电力电子器件的应用电力电子器件的应用n（2）双电源门极电路）双电源门极电路n此电路用于三相GTO逆变器，GTO的额定参数为200A，600V。全部电路由门极导通、门极关断和反偏电路三部分组成。n图2-7给出一种双电源门极驱动电路。n（3）脉冲变压器门极电路）脉冲变压器门极电路n脉冲变压器门极电路可提供较大的门极负电流，使用中应注意脉冲变压器的漏抗以及传送脉冲的宽度。尽量采用高频脉冲列触发，以便减小体积。n图2-8为
13、600A GTO的门极开通和门极关断电路都利用脉冲变压器的一个实例。第一节第一节电力电子器件的应用电力电子器件的应用n图2-9是一种互为反偏的开通门极电路，它适用于逆变器的上下桥臂触发电路。n由于采用脉冲变压器时，存在着电流上升率的问题。而采用电容器放电方式则需要容量大的电容器，这样会使充电电路大型化。n于是又有如图2-10所示的两种电路并用的电路方式。n综上所述，不同容量的GTO有不同的门极驱动电路，尤其是大容量GTO的门极电路也各具特色，。第一节第一节电力电子器件的应用电力电子器件的应用 图2-7 双电源门极电路例二 图2-8 脉冲变压器双信号驱动门极电路 第一节第一节电力电子器件的应用电
14、力电子器件的应用 图2-9 互为反偏的门极电路 图2-10 电容贮能式脉冲变压器的门极电路 第一节第一节电力电子器件的应用电力电子器件的应用n2.电力晶体管电力晶体管GTR(GiantTransistor)n(1)电力晶体管的特性电力晶体管的特性n电力晶体管又称功率晶体管也称巨型晶体管(Giant Transistor，简称GTR)，这是一种双极型大功率高反压晶体管。它具有自关断能力，并有开关时间短、饱和压降低和安全工作区宽等优点。n近年来，由于GTR实现了高频化，模块化、廉价化，因此被广泛用于交流电机调速、不停电电源和中频电源等电力变流装置中，并且将在中小功率应用方面取代传统的晶闸管。例如在
15、交流电机调速中，电压源型SPWM晶体管逆变器将在600kVA以下的容量范围中占主导地位。第一节第一节电力电子器件的应用电力电子器件的应用n功率晶体管具有控制方便，开关时间短，高频特性好，通态压降较低等优点。目前最大容量为400A、1200V，耗散功率已达3kW以上。工作频率可达5kHz，在500kW以下的应用场合竞争力极强。其主要缺点是存在局部过热引起的二次击穿现象，且由于GTR是三层结构的双极型器件，其电压难以超过1500V。n目前常用的GTR器件有单管达林顿管和达林顿模块三大系列。第一节第一节电力电子器件的应用电力电子器件的应用n(2)达林顿达林顿GTR与与GTR模块模块nGTR的达林顿结
16、构是提高电流增益的一种有效方式，这种结构可用最少的元件得到较高的电流增益。达林顿结构由两个或多个晶体管复合组成，其等效电路如图2-11所示。n图2-11(a)为两个NPN晶体管构成的达林顿GTR，图 2-11(b)为由PNP和NPN晶体管构成的达林顿GTR，图2-11(c)为接有稳定电阻的达林顿GTR。图中T1真为驱动管，T2为输出管。常用的达林顿GTR图形符号有两种，如图2-11(d)所示。第一节第一节电力电子器件的应用电力电子器件的应用 图2-11 达林顿GTR的结构与图形符号 第一节第一节电力电子器件的应用电力电子器件的应用n目前各类应用中广泛采用的是GTR模块，它将GTR管芯、续流二极
17、管管芯以及加速二极管等组装成一个单元，然后根据用途将几个单元电路组装在一个外壳内。n现在已发展为将上述单元电路集成制作在同一硅片上，从而向GTR集成化模块又前进了一步。这样不仅使器件小型轻量化，而且使性价比大大提高。n图2-12示出了由两只三级达林顿GTR及其辅助元件构成的单臂桥式电路模块的等效电路。第一节第一节电力电子器件的应用电力电子器件的应用 图2-12 GTR模块的等效电路第一节第一节电力电子器件的应用电力电子器件的应用n(3)基极驱动电路基极驱动电路n基极驱动电路直接影响着GTR的工作状况，因此在设计基极驱动电路时应考虑以下三点：最优化驱动、驱动方式和自动快速保护。n1)最优化驱动n
18、所谓最优化驱动就是以理想的基极驱动电流波形去控制GTR的开关过程，以便提高开关速度。减小开关损耗，理想的基极驱动电流波形如图2-13所示。第一节第一节电力电子器件的应用电力电子器件的应用 图2-13 理想的基极驱动电流波形第一节第一节电力电子器件的应用电力电子器件的应用n2)驱动方式nGTR基极驱动电路可分为直接驱动和隔离驱动两种方式。直接驱动方式指驱动电路与主电路之间直接连接，而隔离驱动方式则是指驱动控制电路与主电路间没有电的联系，驱动信号是通过隔离元件间接传送的。n直接驱动方式的三种基本电路示于图2-14中。其中图2-14(a)为简单基极驱动电路；图2-14(b)为双极性推拉式基极驱动电路
19、；图2-14(c)为抗饱和式双极性推拉式基极驱动电路。后两种电路都是改进形式，目的是为了获得近于理想的基极驱动电流波形。第一节第一节电力电子器件的应用电力电子器件的应用 图2-14 基极直接驱动电路第一节第一节电力电子器件的应用电力电子器件的应用n在很多场合主回路和控制回路间必须进行电的隔离，这样则必须采用基极隔离驱动电路。常用的隔离方式有电磁隔离和光电隔离两种。图2-15 基极隔离驱动电路第一节第一节电力电子器件的应用电力电子器件的应用n图2-15(a)为用脉冲变压器作电磁隔离的简单电路。在驱动管T1导通时，脉冲变压器中的励磁电流自上而下流过，因而在其副边感应出星号端为正的电势使GTR开通。
20、当驱动管T1关断时，脉冲变压器的励磁电流反向地流过GTR的基极，加速了GTR的关断进程。且使用中应注意防止脉冲变压器出现饱和现象，影响正常工作。n图2-15(b)为采用光电耦合器的光电隔离基极驱动电路。第一节第一节电力电子器件的应用电力电子器件的应用n当输入信号Vi为高电平时，驱动管T1导通并使光电耦合器件T2导通，形成驱动控制信号使输出管TN导通。向GTR提供正向基极电流，促使GTR开通。当输入信号Vi为低电平时，驱动管T1关断并使光耦器件T2关断，进而使输出管TN关断而TP导通，此时向GTR提供反向基极电流回路，加速了GTR的关断过程。n由于光电耦合器件的原副边隔离电压高，电磁干扰小，因而
21、是一种常用方式。第一节第一节电力电子器件的应用电力电子器件的应用n3.静电感应晶闸管静电感应晶闸管SITH(StaticlnductionThyristor)n又称场控晶闸管。在栅极上加反向偏压时为阻断状态，除去反偏压即为导通状态。n其工作温度高，动态特性均匀，导通电阻小，正向压降低，开关速度快，开关损耗小，di/dtdv/dt耐量大。但SITH的制造工艺复杂，目前尚未达到实用阶段。第一节第一节电力电子器件的应用电力电子器件的应用n(二二)单极型器件单极型器件n单极型器件，指器件内部只有多数载流子参与导电的半导体功率器件。n1.功率场控晶体管功率场控晶体管(PowerMosfet)n(1)基本
22、工作原理n功率场控晶体管，又称功率MOSFET(Metaloxide Semiconductor Field Effect Transistor)。它是一种单极型的电压控制器件，有驱动功率小、工作速度高,其开关时间很短，一般为ns数量级，工作频率可达30kHz以上。n该器件属电压控制型，控制较方便，不会发生二次击穿现象且热稳定性好、抗干扰能力强。目前耐压等级为1000V，电流等级为200A。无二次击穿问题、安全工作区宽等显著特点。nMOSFET可分为N沟道和P沟道两种，它们的图形符号如图2-16所示。第一节第一节电力电子器件的应用电力电子器件的应用 图2-16 功率MOSFET的图形符号n图中
23、箭头表示载流子移动的方向。图2-16(a)表示N沟道，电子流出源极；图2-16(b)表示P沟道,空穴流出源极。第一节第一节电力电子器件的应用电力电子器件的应用n对比MOSFET与GTR的结构，发现GTR首先在功率领域获得突破的原因主要有四点：n 1)发射极和集电极是安置在基区的两侧，电流是流过面积很大而厚度较薄的基区，因而GTR实际上是一种垂直导电结构，电流容量可以很大；n 2)为了提高耐压在集电区中加入了一个轻掺杂N-型区，使器件耐压能力大为改善；n 3)基区宽度的控制是靠双重扩散技术实现的，尺寸控制严格准确，适宜于各种功率要求的设计；n 4)由于集电极安置在硅片的底部，设汁方便、封装密度高
24、和耐压特性好，所以在较小体积下能输出较大的功率。n根据结构形式的不同，功率MOSFET又分为VVMOSFET和VDMOSFET两种基本类型。第一节第一节电力电子器件的应用电力电子器件的应用n(2)静态特性与参数n1)静态特性n 静态特性主要指功率MOSFET的输出特性、饱和特性和转移特性。与静态特性相关的参数主要有通态电阻Ron，开启电压VGS(th)，跨导m，最大电压额定值BVDS和最大电流额定值IDM等。n输出特性n 以栅源电压VGS为参变量，反映漏极电流ID与漏极电压VDS间关系的曲线族称为功率MOSFET的输出特性。输出特性可以分为三个区域：可调电阻区，饱和区和雪崩区，如图2-17所示
25、。第一节第一节电力电子器件的应用电力电子器件的应用 图2-17 功率MOSFET的输出特性第一节第一节电力电子器件的应用电力电子器件的应用n饱和压降特性n功率MOSFET的饱和压降特性如图2-18所示。由于功率MOSFET是单极型器件，不像GTR那样具有载流子存贮效应，因而通态电阻较大，饱和压降也较高，使导通损耗大。n为了降低通态电阻，在设计上要采取一些相应的措施。但是，MOSFE的通态电阻总是要比GTR的通态电阻大。第一节第一节电力电子器件的应用电力电子器件的应用n转移特性n栅源电压VDS与漏极电流ID之间的关系称为转移特性。图2-19为功率MOSFET在小信号下的转移特性。图中特性曲线的斜
26、率IDVGS即表示功率MOSFET的放大能力，因为它是电压控制器件，所以用跨导参数gm来表示，跨导gm的作用与GTR中的电流增益很相似。第一节第一节电力电子器件的应用电力电子器件的应用图2-18 功率MOSFET的饱和压降特性 图2-19 功率MOSFET的转移特性 第一节第一节电力电子器件的应用电力电子器件的应用n2)静态参数n通态电阻Ronn通态电阻只Ron是与输出特性密切相关的参数，通常规定：在确定的栅压VGS下，功率MOSFET由可调电阻区进人饱和区时的直流电阻为通态电阻，它是影响最大输出功率的重要参数。在开关电路中它决定了输出幅度和自身损耗的大小。n开启电压Vgs(th)n开启电压V
27、gs(th)又称为阈值电压，其数值由转移特性曲线与横轴的交点确定。开启电压Vgs(th)是指沟道体区表面发生强反型层所需的最低栅极电压，即表示反型层形成的条件，它表明当栅压超过开启电压后，连接漏区与源区的表面反型层即可形成沟道。在工业应用中，常将漏极短接条件下ID等于1mA时的栅极电压定义为开启电压 第一节第一节电力电子器件的应用电力电子器件的应用n跨导gmn跨导gm定义为:gmIDVgsn它反映转移特性的斜率，单位为西门子(S)。由于转移特性是非线性的，所以gm与Vgs的关系曲线也是非线性的。第一节第一节电力电子器件的应用电力电子器件的应用n漏极击穿电压BVDsn 漏极击穿电压BVDs决定了
28、功率MOSFET的最高工作电压，它是为了避免器件进入雪崩区而设的极限参数。BVDs的大小取决于漏极PN结的雪崩击穿能力和栅极对沟道、漏区反偏结电场的影响等因素。n栅源击穿电压BVGSn 对栅源击穿电压 BVGS是为了防止绝缘栅层会因栅源电压过高而发生介电击穿而设定的参数。MOSFET处于不工作状态时，因静电感应引起的栅极上的电荷积累将有可能击穿器件，一般将栅源电压的极限值定为20V。n最大漏极电流IDMn 最大漏极电流IDM表征功率MOSFET的电流容量，其测量条件为：VGs=10V，VDJ为某个适当数值。第一节第一节电力电子器件的应用电力电子器件的应用n3)动态特性与参数n动态特性主要影响功
29、率MOSFET的开关瞬态过程。和GTR相似，开关过程也分为几个阶段。由于功率MOSFET是单极型器件，是依靠多数载流子传导电流的，因此它的开关工作机理又与GTR有较大的差别。功率MOSFET的开关速度很高，开关时间很短，一般在纳秒数量级，典型值为20ns。n动态特性与参数包含：开关过程与开关时间、极间电容、源漏二极管特性、源漏二极管特性、漏源极dvdt耐量，其中开关特性是最主要的动态指标。n功率MOSFET输入电压和输出电压对应的波形关系如图2-20所示。根据开关过程的波形图可以定义开关时间。开关时间与器件的极间电容和寄生电感有关，它们之间的关系都是非线性的。第一节第一节电力电子器件的应用电力
30、电子器件的应用 图2-2-20 功率MOSFET的开关过程电压的波形图n开关时间明显地与驱动源参数和漏极负载情况有关。测试条件不同，所得的参数值也不相同。第一节第一节电力电子器件的应用电力电子器件的应用n(3)栅极驱动电路栅极驱动电路n1)特点与类型特点与类型n栅极驱动的特点n 功率MOSFET为单极型器件，没有少数载流子的存贮效应，输入阻抗高。因而开关速度可以很高，驱动功率小，电路简单。但是，功率MOSFET的极间电容较大，因面工作速度与驱动源内阻抗有关。第一节第一节电力电子器件的应用电力电子器件的应用n功率MOSFET在稳定状态下工作时，栅极无电流流过；只有在动态开关过程中才有位移电流出现
31、，因而所需驱动功率小，栅极驱动电路简单。n为便于将功率MOSFET和GTR电路进行对照比较，在图2-21中给出了高压变换器的输出级电路，它们分别采用功率MOSFET 和GTR组成了驱动功率大致相同的两种电路形式。第一节第一节电力电子器件的应用电力电子器件的应用 图2-21 MOSFET与GTR输出级的比较 第一节第一节电力电子器件的应用电力电子器件的应用n驱动电路类型n 栅极驱动电路有多种形式，以驱动电路与栅极的连接方式来分则有：直接驱动和隔离驱动。n.直接驱动电路n栅极直接驱动电路是最简单的一种方式。n由于功率MOSFET的输入阻抗极高，所以可以用TTL器件或CMOS器件直接驱动，图2-22
32、示出了直接驱动的几种电路形式。n图2-22(a)为基本电路，这种电路简单，但在感性负载下漏极电流与漏源极间电压的相位差会影响上升时间，因而动态损耗较大。n图2-22(b)为改进的快札开通驱动电路，由于增加了驱动晶体管从而减轻了信号源的负担。n图2-22(c)为推拉式驱动电路，采用这种电路不但可提高开通速度，同时也提高了关断速度。在这种电路中，由于三极管T1，和T2是作为射极输出器工作的，所以它们不会出现饱和状态，因而信号的传输无延迟。第一节第一节电力电子器件的应用电力电子器件的应用 图2-22 栅极直接驱动电路 第一节第一节电力电子器件的应用电力电子器件的应用n.隔离驱动电路n 栅极的隔离驱动
33、电路根据隔离元件的不同分为电磁隔离式和光电隔离式两种。n图2-23所示为由脉冲变压器作为隔离元件的栅极驱动电路。n图2-24为采用光电耦合器进行隔离的栅极驱动电路。第一节第一节电力电子器件的应用电力电子器件的应用 图2-23 采用变压器隔离的栅极骊动电路 第一节第一节电力电子器件的应用电力电子器件的应用 图2-24 采用光耦器件的栅极驱动电路第一节第一节电力电子器件的应用电力电子器件的应用n2）栅极驱动电路实例）栅极驱动电路实例 n实用的推拉式驱动电路n一种实用的推拉氏驱动电路示于图2-25中。驱动过程分为正向驱动和反向驱动两种情况。正向驱动电路由具有加速网络的T1管和接成贝克箝位电路的T3管
34、组成，反向驱动电路则由T2管和T4管组成。n正反馈型栅极驱动电路n正反馈型驱动电路的特点是利用正反馈来加速开通过程，具体电路如图2-26所示。n窄脉冲栅极驱动电路 n采用脉冲变压器的窄脉冲栅极驱动电路如图2-27所示。n高速关断驱动电路n为了提高功率MOSFET的关断速度，在关断时要求提高栅极电流的幅值。图2-29示出了一种高速关断电路。第一节第一节电力电子器件的应用电力电子器件的应用 图2-25 实用的推拉式驱动电路 图2-26 正反馈型栅极驱动电路第一节第一节电力电子器件的应用电力电子器件的应用 图2-27 窄脉冲栅极驱动电路 图2-29 高速关断电路第一节第一节电力电子器件的应用电力电子
35、器件的应用n2.静电感应晶体管SIT(Staticlnduction Transistor)。nSIT为三层结构，不仅可以工作在开关状态，也可以工作在放大状态，是一种非饱和输出特性的器件。输出功率大、失真小，输入阻抗高，开关特性好且抗辐射能力强。n目前SIT的频率可达3050MHz，电流200A、电压1500V。第一节第一节电力电子器件的应用电力电子器件的应用n(三三)混合型器件混合型器件n混合型器件又称为复合型器件，指双极型和单极型器件的集成混合器件。既具备双极型器件电流密度高、导通压降低的优点，又具备单极型器件输入阻抗高、开关速度快的优点，其中IGBT器件也不存在二次击穿问题。n1.MOS
36、门极晶体管门极晶体管MGT(MOS Gate Transistor)n 由功率场效应管与功率晶体管复合而成，其基本结构形式有达林顿式、并联式、串联式及串并联混合式。n2.MOS晶闸管晶闸管MCT(MOS-Coutrolled Thyristor)n MCT由功率场效应管与晶闸管复合而成。具有高电压、大电流、低通态压降、高电流密度、高输入阻抗、低驱动功率和高开关速度等优点。是目前电力半导体器件中被评价最高的一种混合器件，但目前产品还没有完全系列化。第一节第一节电力电子器件的应用电力电子器件的应用n3.功率集成电路功率集成电路PIC(Power Integrated Circuit)n 功率集成电
37、路是指功率器件与驱动电路、控制电路以及保护电路的集成。目前PIC被分为两大类：一类是高压集成电路HPIC，是横向高耐压电力电子器件与控制电路的单片集成；另一类是智能型功率集成电路SPIC，是纵向功率集成器件与控制电路、保护电路及传感电路的多功能集成。PIC体现了强电器件与弱电控制电路的结合，尽管目前仍处于中小功率阶段(电压1000V以下，电流100A以下)，但据预计，PIC的发展和应用前景十分广阔。第一节第一节电力电子器件的应用电力电子器件的应用n4.绝缘门极晶体管绝缘门极晶体管IGBT(1nsulated Gate Bipolar)n 又称为绝缘栅晶体管，其电流容量为10400A，电压等级为
38、5001400A，工作频率达1030kHz之间，在中频以上交流电源、各种直流开关电源及其它要求高速度、低损耗的领域，IGBT有取代GTR和MOSFET的趋势。n（1）基本工作原理）基本工作原理nIGBT是在功率MOSFET的基础上发展起来的，两者结构十分类似。IGBT的图形符号如图2-30所示。nIGBT的开通和关断是由门极电压来控制的。门极加上正向电压时，使IGBT导通。在门极上施加反向电压后，IGBT即被关断。n由此可知，IGBT的驱动原理与MOSFET相同。第一节第一节电力电子器件的应用电力电子器件的应用 图2-30 IGBT的图形符号第一节第一节电力电子器件的应用电力电子器件的应用n（
39、2）静态与动态特性图2-31 IGBT结构剖画图 图2-32 IGBT的简化等效电路 图2-2-33 IGBT的静态特性第一节第一节电力电子器件的应用电力电子器件的应用n1）静态特性n IGBT的静态特性包括伏安特性、转移特性和静态开关特性。n 伏安特性表示器件的端电压与电流的关系。N-IGBT的伏安特性示于图2-33(a)中，由图可知，IGBT的伏安特性与GTR基本相似，不同之处是，控制参数是门源电压VGs，而不是基极电流。伏安特性分饱和区、放大区和击穿区。输出电流由门源电压控制，门源电压VGS越大，输出电流ID越大。由图2-31可知，当IGBT关断后，J2结阻断正向电压；反向阻断电压由J1
40、结承担。如果无N+缓冲区，正、反向阻断电压可以做到同样水平，但加入N+缓冲区后，伏安特性中的反向阻断电压只能达到几十伏，因此限制了IGBT在需要阻断反向电压场合的应用。第一节第一节电力电子器件的应用电力电子器件的应用nIGBT的转移特性曲线示于图2-33(b)中，与功率MOSFET的转移特性相同。在大部分漏极电流范围内，ID与VGS呈线性关系；只有当门源电压接近开启电压VGS(Th)，时才呈非线性关系，此时漏极电流已相当小。当门源电压VGS小于开启电压VGS(Th)时，IGBT处于关断状态。加在门源间的最高电压由流过漏极的最大电流所限定。一般门源电压的最佳值可取15V左右。nIGBT的静态开关
41、特性示意图如图2-33(c)所示。第一节第一节电力电子器件的应用电力电子器件的应用n当门源电压大于开启电压时,IGBT即开通。由图2-32可知，IGBT由PNP晶体管和MOSFET组成达林顿结构，其中PNP为主晶体管，MOSFET为驱动元件。电阻Rdr，介于PNP晶体管基极和MOSFET漏极之间，它代表N-漂移区电阻，一般称为扩展电阻。与普通达林顿电路不同，流过等效电路中MOSFET的电流成为IGBT总电流的主要部分。在这种情况下，通态电压VDS(ON)，可用下式表示：VDS(ON)VJ1+Vdr+IDRON 第一节第一节电力电子器件的应用电力电子器件的应用n与功率MOSFET相比，IGBT通
42、态压降要小得多，1000V的IGBT约有25V的通态压降。这是因为IGBT中N-漂移区存在电导调制效应的缘故。IGBT的通态电流IDs为n IDs IMOS+PNP IMOS 即 n IDs（1+PNP）IMOS 因为高压IGBT中的PNP 小于1，所以PNP晶体管的基区电流，也即MOSFET的电流构成IGTB总电流的主要部分。这种不均衡的电流分配是由IGBT的结构所决定的。第一节第一节电力电子器件的应用电力电子器件的应用nIGBT构成的基础是功率MOSFET，通过门源电压可控制IGBT的状态。当VGS VGS(Th)时，IGBT处于阻断状态，只有很小的漏电流存在，外加电压由J2结承担，这种阻
43、断状态与功率MOSFET基本一致。可见，对称型IGBT具有正、反向阻断电压的能力，而非对称型IGBT几乎没有反向阻断能力。n2)动态特性n IGBT的动态特性包括开通过程和关断过程两个方面。IGBT开通时的瞬态过程如图2-34所示。IGBT在降压变换电路中运行时，其电流、电压波形与功率MOSFET开通时的波形相类似。因为IGBT在开通过程中大部分时间是作为MOSFET来运行的。第一节第一节电力电子器件的应用电力电子器件的应用n在降压变换电路中运行时，IGBT的关断电流、电压波形如图2-35所示。n由图可知，在最初阶段里，关断的延迟时间td(off)和电压VDS的上升时间trv，由IGBT中MO
44、SFET决定。关断时IGBT和MOSFET的主要差别是电流波形分为tfi1和tfi2两部分，其中tfi1由MOSFET决定，对应于MOSFET的关断过程，tfi2由PNP晶体管中存贮电荷所决定。因为在tfi1末尾；MOSFET已关断：IGBT又无反向电压，体内的存贮电荷难以被迅速消除，所以漏极电流有较长的下降时间。因为此时漏源电压已经建立，过长的下降时间会产生较大的功耗，使结温增高，所以希望下降时间越短越好。IGBT中无N+层缓冲区的，下降时间较短；反之，下降时间则较长。通过通态压降与快速关断时间的折衷，则可以减小下降时间，这一设计思想与一般双极型器件相同。第一节第一节电力电子器件的应用电力电
45、子器件的应用图2-34 开通时IGBT的电流、图2-35 关断时IGBT的电流、电压波形 电压波形 第一节第一节电力电子器件的应用电力电子器件的应用n(3)门极驱动门极驱动n IGBT的静态和动态特性与门极驱动条件密切相关。门极的正偏电压VGE，负偏电压-VGE和门极电阻RG的大小，对IGBT的通态电压、开关时间、开关损耗、承受短路能力以及dVdt由电流等参数有不同程度的影响。n门极驱动条件与器件特性的关系如表2-2所示。第一节第一节电力电子器件的应用电力电子器件的应用第一节第一节电力电子器件的应用电力电子器件的应用n在满足门极驱动条件的前提下，可设计IGBT的门极驱动电路。n在用以驱动电动机
46、的逆变器电路中，为使IGBT能够稳定的工作，要求IGBT的驱动电路采用正、负偏压两种电源的供电方式。为了使门极驱动电路与信号电路隔离，应采用抗噪音能力强、信号传输时间短的光耦合器件。门极和发射极的引线应尽量短，门极驱动电路的输出线应为绞合线，其具体电路如图2-36(a)所示。图中IGBT的符号采用图2-30（a）所示的符号。n为抑制输入信号的振荡现象，在图中的门源端并联一阻尼网络。图2-36(b)所示为用图2-30(b)所示符号表示IGBT的门极驱动电路，图中用光耦台器件使信号电路与门极驱动电路隔离。第一节第一节电力电子器件的应用电力电子器件的应用 图2-36 门极驱动电路第一节第一节电力电子
47、器件的应用电力电子器件的应用n(4)IGBT的保护的保护n 将IGBT用于电力变换器时，应采用保护措施以防损坏管子。常用的保护措施如下：n 通过检出的过电流信号切断门极信号，实现过流保护；n 利用缓冲电路抑制过电压并限制过量的dv/dt；n 利用温度传感器检测IGBT的壳温，当超过允许温度时主电路跳闸，实现过热保护。第一节第一节电力电子器件的应用电力电子器件的应用nIGBT的过电流保护可采用集电极电压识别的方法。如图2-37所示，集电极通态饱和电压VCES与集电极电流IC呈近似线性变化关系。识别VCES的大小即可判断IGBT集电极电流的大小，由图可知，IGBT的结温升高后，在大电流情况下通态饱
48、和压降增加，这种特性有利于过电流识别保护。n图2-38(a)中给出了过电流保护的示意图，图2-38(b)为具体保护电路。第一节第一节电力电子器件的应用电力电子器件的应用 图2-37 通态饱和电压与集 图2-38 过电流保护法 电极电流的关系曲线第一节第一节电力电子器件的应用电力电子器件的应用n过流时切断IGBT集电极电流不能像正常工作时那样快。n因为过流时集电极电流较大，过快的切断会由于didt过高，在主电路电感中引起很高的反电势使IGBT集电极产生尖峰电压，这种尖峰电压足以损坏管子，为此在允许的短路时间内(如10s)应采取措施对IGBT进行低速切断，其示意图如图2-39所示。图2-39短路过
49、流低速切断示意图 第一节第一节电力电子器件的应用电力电子器件的应用n因为IGBT的安全工作区较宽，在一些应用中IGBT可不设缓冲电路。改变门极串联电阻可控制门极电流的大小，进而可减弱IGBT开通和关断过程对缓冲电路的需求。此外，IGBT控制峰值电流的能力比功率MOSFET要强，这也是一些应用中可不用缓冲电路的一个原因。在另外一些应用中，需要增加缓冲电路时，功率MOSFET所用的缓冲电路也可用于IGBT。不过这样比较困难。n图2-40给出了各种功率器件的输出容量、工作频率及其主要应用领域示意图。第一节第一节电力电子器件的应用电力电子器件的应用 图2-40 功率器件的输出容量、工作频率及主要应用领
50、域 第 2 章第二节第二节 检检 测测 元元 件件第二节第二节检检 测测 元元 件件n一、一、速度检测速度检测n在伺服系统中，机械的运动速度控制是最基本的控制内容，当对速度的稳定精度提出较高要求时，就要求对驱动电动机能够实行速度的闭环控制。因此速度检测元件的正确选择和构成速度负反馈控制的电路形式，对是否能满足系统的要求十分重要。n速度闭环控制系统中，常用的速度检测元件一般分为二类，即：模拟速度检测元件和数字速度检测元件。测速发电机就是一种模拟速度检测元件，由测速发电机构成的速度闭环控制系统，其精度控制在3之内已属不易。第二节第二节检检 测测 元元 件件n测速发电机是一种微型发电机，它的作用是将
